(57)【要約】【課題】  真空中、大気、および両環境で寿命が長い固体潤滑膜被覆の転動体を得る。【解決手段】本発明の固体潤滑膜被覆の転動体２は、鉄系部材の表面に二硫化モリブデンがスパッタによって被覆された固体潤滑膜１を有するもので、固体潤滑膜は異なる密度からなる少なくとも２層以上の多層膜で構成されており、鉄系部材に近い層の膜の密度を3.0〜4.8ｇ／ｃｍ３とし、表面に近い層の密度を2.3〜2.8ｇ／ｃｍ３としたものである。また、鉄系部材の表面に二硫化タングステンがスパッタによって被覆された固体潤滑膜を有するもので、固体潤滑膜は異なる密度からなる少なくとも２層以上の多層膜で構成されており、鉄系部材に近い層の膜密度を4.5〜7.5ｇ／ｃｍ３とし、表面に近い層の密度を3.6〜4.2ｇ／ｃｍ３としたものである。 【選択図】    図１
2005061518.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系部材の表面に二硫化モリブデンがスパッタによって被覆された固体潤滑膜を有する転動体において、
前記固体潤滑膜は異なる密度からなる少なくとも２層以上の多層膜で構成されており、前記鉄系部材に近い層の膜の密度が3.0〜4.8ｇ／ｃｍ３で、表面に近い層の密度が2.3〜2.8ｇ／ｃｍ３であることを特徴とする固体潤滑膜被覆の転動体。
【請求項２】
鉄系部材の表面に二硫化タングステンがスパッタによって被覆された固体潤滑膜を有する転動体において、
前記固体潤滑膜は異なる密度からなる少なくとも２層以上の多層膜で構成されており、前記鉄系部材に近い層の膜密度が4.5〜7.5ｇ／ｃｍ３で、表面に近い層の密度が3.6〜4.2ｇ／ｃｍ３であることを特徴とする固体潤滑膜被覆の転動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空環境下で使用される半導体製造装置や宇宙機器などに適用するすべり又は転がり軸受用の固体潤滑膜被覆の転動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
二硫化モリブデンスパッタ膜や二硫化タングステンスパッタ膜は真空中で優れた潤滑特性を有する事が知られている。これらの固体潤滑膜は転動体に被覆されて軸受が構成される。
二硫化モリブデンを例に取り、膜の作製方法を図２で説明する。真空チャンバ３の内部には、基板ホルダ４に載置された転動体２と、基板ホルダ４に対向する位置に二硫化モリブデンのターゲット６が電極５に接続して配置されている。真空チャンバ３の外部には、電極５に接続されたＲＦ電源１２と、マスフローコントローラ１１を介して接続されたアルゴンガスボンベ１０と、真空ポンプ８と、真空計９が配置されている。この装置の真空チャンバ３内を減圧アルゴン雰囲気にして、グロー放電を起こしプラズマを発生させる。プラズマ中でプラスに帯電したアルゴンイオンは、マイナスに帯電したターゲット６に衝突し、モリブデン原子と硫黄原子を叩き出す。叩き出されたモリブデン原子と硫黄原子は基板２に堆積し固体潤滑膜となる（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平６−２７２７１５号公報
【０００３】
固体潤滑膜を被覆した転動体で構成される軸受を組込んだ真空ロボットや真空搬送装置は、製作後大気中で慣らし運転や初期故障検出のための運転を行った後、出荷され客先で真空槽内に設置後再び運転される。従って、固体潤滑膜の適用軸受に対する要求としては大気中でも寿命の長い膜が要求されている。しかしながら、従来法で作製した膜の場合、大気中で運転すると湿度の影響を受けて比較的短時間で寿命になる。この原因について調べたところ膜の密度が関係していることが分った。図２に示した作製法の場合、ターゲットからスパッタされた原子（Ｍｏ、Ｓ）はアルゴンガスと殆ど衝突なしで転動体２（転がり軸受用玉、ローラなど）に到達し付着するものもあれば数多く衝突を繰り返しながら粒子状になり転動体２に付着するものもある。後者が多い場合膜中にマイクロ隙間が増えて密度が低下する。このようなマイクロ隙間の多い固体潤滑膜を大気中で寿命評価してみると、寿命が極めて短いという問題があった。原因としては、固体潤滑膜のマイクロ隙間から水分が侵入し腐食が急速に進むためである事を予想した。この考え方に基づき詳細に腐食のメカニズムを調べたところ、下地である鉄系材料の転動体が固体潤滑膜との間で接触腐食を起こし、腐食された鉄が固体潤滑膜の中に混入する現象が生じていることが分った。固体潤滑膜中に鉄が混入すると摩擦係数が急増するので潤滑寿命が低下するのである。
一方、密度が高い固体潤滑膜は大気中での寿命は長いが真空中での寿命は比較的短い、また密度が低い固体潤滑膜は真空中での寿命は非常に長いが大気中の寿命は非常に短い、という密度と寿命の関係があることによることが分かった。密度が低い膜の寿命が大気中で短い理由は前述のとおりである。一方、密度が高い膜の寿命が大気中で長い理由はマイクロ空隙が少ないので水分が膜中に侵入しない。従って、鉄系材料からなる転動体との間で接触腐食が生じないためである。下地である鉄の腐食を抑える事が出来れば低密度膜は大気中でも長寿命になる。
以上のことから本発明者らは真空中、大気中および両環境で寿命が長い固体潤滑膜を提供する目的で特許出願を行った（特願2003-40739）。これは固体潤滑膜が密度の異なる二層以上の膜からなり水分の侵入を防ぐ意味で表面に近い方の膜を高密度にするものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、この構成の固体潤滑膜だと真空ロボットに組込んで、ある期間使用した後に、真空ロボットや真空搬送装置のメンテナンスのために大気にさらされた場合、再び使用すると寿命が極端に短くなると言う問題を生じた。大気中の水分の侵入を防いでいた高密度膜がある期間使用したことで磨耗して無くなっている場合に問題を生じるのである。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、真空中、大気、および両環境で寿命が長い固体潤滑膜被覆の転動体を提供することを目的としたもので、使用期間中に大気に複数回さらされても長寿命を有する固体潤滑膜被覆の転動体を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の固体潤滑膜被覆の転動体は、鉄系部材の表面に二硫化モリブデンがスパッタによって被覆された固体潤滑膜を有する転動体において、前記固体潤滑膜は異なる密度からなる少なくとも２層以上の多層膜で構成されており、前記鉄系部材に近い層の膜の密度を3.0〜4.8ｇ／ｃｍ３とし、表面に近い層の密度を2.3〜2.8ｇ／ｃｍ３としたものである。
請求項１記載の固体潤滑膜被覆の転動体によれば、水分を通過させない高密度二硫化モリブデン膜を鉄系転動体に接するように被覆しているので接触腐食が起こさない。また、使用期間の途中で大気にさらしても高密度膜は消失していなくて残存しているので接触腐食による寿命の低下は無い。水分を通さない膜の密度は3.0〜4.8ｇ／ｃｍ３である。一方、表面に近いほうに長寿命低密度膜を配置しているので膜全体の寿命は長い。密度2.3〜2.8ｇ／ｃｍ３の膜は寿命が長い。
請求項２に記載の固体潤滑膜被覆の転動体は、鉄系部材の表面に二硫化タングステンがスパッタによって被覆された固体潤滑膜を有する転動体において、前記固体潤滑膜は異なる密度からなる少なくとも２層以上の多層膜で構成されており、前記鉄系部材に近い層の膜密度を4.5〜7.5ｇ／ｃｍ３とし、表面に近い層の密度を3.6〜4.2ｇ／ｃｍ３としたものである。
請求項２記載の固体潤滑膜被覆の転動体によれば、水分を通過させない高密度二硫化タングステン膜を鉄系転動体に接するように被覆しているので接触腐食が起こさない。また、ある期間使用したあとで大気にさらしても高密度膜は消失していなくて残存しているので接触腐食による寿命の低下は無い。水分を通さない膜の密度は4.5〜7.5ｇ／ｃｍ３である。一方、表面に近いほうに長寿命低密度膜を配置しているので膜全体の寿命は長い。密度3.6〜4.2ｇ／ｃｍ３の膜は寿命が長い。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の固体潤滑膜被覆の転動体によれば、つぎの効果がある。
異なる密度で２層以上の多層構造とし、転動体表面に近い層を水分を透過させない高密度膜とし、表面に近い層の膜を真空中で長寿命の低密度膜としたので、大気中での慣らし運転期間はもとより使用途中での大気開放にかかわらず長寿命を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００８】
図１は、本発明の第１の実施形態を示す固体潤滑膜の断面模式図である。１は二硫化モリブデンのスパッタによる固体潤滑膜、２は転動体である。固体潤滑膜１は、高密度膜1a(3.0〜4.8ｇ／ｃｍ３)および低密度膜1b(2.3〜2.8ｇ／ｃｍ３)からなる。転動体２はＳＵＳ４４０Ｃまたは軸受鋼等の鉄系材料で構成されている。
この固体潤滑膜は図２に示すスパッタ装置で形成した。真空チャンバ３の内部には、基板ホルダ４に載置された基板２と、基板ホルダ４に対向する位置に二硫化モリブデンのターゲット６が電極５に接続して配置されている。真空チャンバ３の外部には、電極５に接続されたＲＦ電源１２と、マスフローコントローラ１１を介して接続されたアルゴンガスボンベ１０と、真空ポンプ８と、真空計９が配置されている。固体潤滑膜１の密度は、アルゴンガスの分圧を2〜10Ｐａの範囲で変化させることにより調整した。
固体潤滑膜の形成手順は以下のとおりである。
（１）真空チャンバ３内を真空ポンプ８で８×１０−７Ｔｏｒｒまで真空引きする。
（２）真空引きを継続しながら、マスフローコントローラ１１を開き、アルゴンガスを真空チャンバ３内に導入し、真空計９をモニタしながら真空チャンバ３内を所定の圧力にする。
（３）ターゲット６にＲＦ電源１２を印加しグロー放電を発生させ、固体潤滑膜を形成する。Ａｒイオンによってターゲット６の表面をスパッタし、二硫化モリブデンからなるターゲット６を構成する原子、すなわち硫黄とモリブデンを叩き出し、対向する位置に置いた基板２の表面に硫黄とモリブデン原子を堆積させる。
アルゴンガス圧が高いと、ターゲット６から叩き出された硫黄とモリブデン原子が基板２に到達するまでにアルゴン原子と衝突する回数が必然的に多くなる。その結果、硫黄とモリブデン原子は粒子状になり基盤に堆積し、固体潤滑膜の密度は低くなる。逆に、アルゴンガス圧が低いとアルゴン原子と殆ど衝突することなしに基板２に順序良く堆積するため、固体潤滑膜の密度は高くなる。
従って、本実施形態の固体潤滑膜は、最初にアルゴンガス圧を低くして下層に密度が高い固体潤滑膜１aを形成し、続けてアルゴンガス圧を高くして上層に密度が低い固体潤滑膜１bを作製する方法で、表1に示したような上層と下層の膜密度がそれぞれ異なる試料を作製した。下層の膜厚は0.1μm、上層は0.5μmとした。なお、比較のため、従来の方法による例として、高密度膜の厚さ0.1μm、低密度膜の厚さ0.5μmのものも加えた。
寿命は相対湿度40%の大気中で一定時間試験した後、相対湿度60%の大気中に２日間保持して再び相対湿度40%の大気中で測定した。使用した試験機はボールオンディスク式である。寿命は転動体の種類に影響されなかった。
従来の固体潤滑膜被覆の転動体(下層が低密度膜、上層が高密度膜)に比べて本発明はいずれも長寿命である事が分る。
【０００９】
【表１】
2005061518.tif 000003
【実施例２】
【００１０】
実施例は、二硫化タングステンについて、第一の実施例と同様の実験を行った。異なる点はターゲット材に二硫化タングステンを使用したことである。
寿命の結果を表２に示すように、従来例より本発明は優れている事が分った。
なお、本実施例では２層の例しか述べていないが、転動体に近い部分に高密度膜さえ配置する構成であれば、３層以上でも傾斜密度を有するものでも同じ効果が得られる事は明らかである。
【００１１】
【表２】
2005061518.tif 000004
【産業上の利用可能性】
【００１２】
本発明は、転動体に被覆する固体潤滑膜を低密度膜と高密度膜の多層にすることによって、真空環境で使用される軸受用の部材に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態を示す固体潤滑膜の断面の模式図である。
【図２】本発明の固体潤滑膜の作製に用いたスパッタ装置の断面図である。
【符号の説明】
【００１４】
１  固体潤滑膜
２  転動体
３  真空チャンバ
４  基板ホルダ
５  電極
６  ターゲット
７  筒
８  真空ポンプ
９  真空計
１０  アルゴンボンベ
１１  マスフローコントローラ
１２  ＲＦ電源
【図１】
2005061518.tif 000005
【図２】
2005061518.tif 000006